信号处理中的平均偏差、标准偏差和方差
出处:维库电子市场网 发布于:2023-11-29 15:39:15
假设我们已经将两个模拟输入信号数字化。如果我们将数字代码转换回伏特单位并绘制离散时间波形,它们看起来像这样:
电气工程师会本能地将这些波形识别为包含相当多噪声的稳定直流信号(可能是电源电压)。
更重要的是,我们立即认识到蓝色信号比红色信号噪声明显更大。如果我们只考虑平均值,那么噪声性能的这种主要差异就会消失。
顺便问一下,为什么我们会在这些信号中感知到噪声?因为
个别值明显偏离平均值,
他们以一种看似随机的方式这样做,并且
相对于平均值,偏差很小。
当统计学家看到与平均值的微小随机偏差时,电气工程师就会看到噪声。
平均偏差
这些信号的噪声有多大?比较吵?十分吵闹?让我们尝试为这个问题提供更准确的答案。换句话说,我们需要量化这些数据集中的偏差。
量化偏差时,我的直觉是找到每个数据点与平均值之间的距离,然后计算所有这些距离的平均值。这将为您提供平均偏差(也称为平均偏差),即值偏离中心趋势的典型量。这是数学语言中的平均偏差:
\[\text{平均偏差}=\frac{1}{N}\sum_{k=0}^{N-1}|x[k]-\mu|\]
其中 N 是数据集中值的数量,μ 是平均值,x[k] 是表示为离散时间变量 k 的函数的信号。
尽管平均偏差很直观,但它并不是量化信号偏离平均值的趋势的常用方法。为此,我们需要标准差。
方差和标准差
在电气工程的背景下,平均偏差的问题是我们对电压(或电流)差异进行平均,因此我们在幅度域中操作。噪声现象的性质使得我们在分析噪声时强调功率而不是幅度,因此我们需要一种在功率领域运行的统计技术。
幸运的是,这很容易获得。功率与电压或电流的平方成正比,因此我们需要做的就是在求和和平均之前对差项进行平方。此过程产生称为方差的统计度量,用 σ 2表示(发音为“西格玛平方”):
\[\sigma^2=\frac{1}{N-1}\sum_{k=0}^{N-1}(x[k]-\mu)^2\]
我们可以将方差描述为信号随机偏差的平均功率,表示为 power。这意味着方差与我们开始使用的值的单位不同。如果我们分析电压信号的波动,方差的单位为 V 2而不是 V。
如果我们想使用原始单位来表达信号随机偏差的趋势,我们必须通过将平方根应用于终值来补偿每个差异的平方:
\[\sigma=\sqrt{\sigma^2}=\sqrt{\frac{1}{N-1}\sum_{k=0}^{N-1}(x[k]-\mu)^ 2}\]
此过程生成称为标准偏差的统计测量,即信号随机偏差的平均功率,表示为幅度。因此,如果我们分析电压信号,则标准偏差的单位为 V,尽管我们使用电压偏差的平方计算标准偏差。
方差和标准差以不同的方式表达相同的信息。据我所知,虽然方差在某些分析情况下更方便,但标准差通常是,因为它是一个可以直接解释为信号偏离均值趋势的度量的数字。
版权与免责声明
凡本网注明“出处:维库电子市场网”的所有作品,版权均属于维库电子市场网,转载请必须注明维库电子市场网,https://www.dzsc.com,违反者本网将追究相关法律责任。
本网转载并注明自其它出处的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。
- 超声波功率放大器工作原理是什么意思-2024/7/25 17:40:54
- ADI - 深度探讨RF信号链中的滤波器应用2024/7/15 11:22:01
- 变频驱动器 (VFD) 的控制线路2024/7/9 16:38:51
- 信噪比是什么_深入解析信噪比2024/7/5 17:34:54
- 使用环路供电隔离器解决接地环路问题2024/7/3 16:56:45